(57)【要約】  骨盤、大腿骨を含む下肢の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップ(S101)と、複数の２次元断層画像から骨盤、大腿骨を含む３次元画像を再構築する画像再構築ステップ(S102,S103)と、骨盤、大腿骨の３次元画像から、骨盤臼蓋に設置する人工関節と設置の位置及び方向を決定する人工関節決定ステップ(S104,S105)と、骨盤の３次元画像に対し、該骨盤の３点の参照点に夫々当接する３本の支柱を有するベース治具の３次元画像を設定するベース治具設定ステップ(S107〜S109)と、ベース治具の３次元画像で骨盤臼蓋直近の支柱上端を通り、人工関節の設置方向と平行となる線の方向をパラメータ化して取得するパラメータ取得ステップ(S110〜S112)とをコンピュータに実行させる。
2011065378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、
上記画像入力ステップで入力した複数の２次元断層画像から骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、
上記画像再構築ステップで得た骨盤及び大腿骨の３次元画像から、骨盤臼蓋に設置する人工関節の設置位置及び設置方向を決定する人工関節決定ステップと、
上記画像再構築ステップで得た骨盤の３次元画像に対し、該骨盤の３点以上の参照点にそれぞれ当接する３本以上の支柱を有するベース治具の３次元画像を設定するベース治具設定ステップと、
上記ベース治具設定ステップで設定したベース治具の３次元画像で該ベース治具上の所定の位置を通り、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節の設置方向と平行となるインジケータの方向をパラメータ化して取得するパラメータ取得ステップと
をコンピュータに実行させることを特徴とする人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項２】
上記ベース治具設定ステップは、骨盤の左右上前腸骨棘及び恥骨結合の３点を参照点とした３本の支柱を有するベース治具の３次元画像を設定し、
上記パラメータ取得ステップは、ベース治具の３次元画像で左上前腸骨棘又は右上前腸骨棘上の体表面に当接する支柱の上端近傍、又は左右上前腸骨棘上の体表面にそれぞれ当接する各支柱の上端同士を結ぶ線の中点近傍を通り、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節の設置方向と平行となるインジケータの方向をパラメータ化して取得する
ことを特徴とする請求項１記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項３】
上記ベース治具設定ステップは、上記画像再構築ステップで得た骨盤の３次元画像に対し、骨盤と皮膚表面間の距離を勘案してベース治具の３次元画像を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項４】
上記骨盤と皮膚表面間の距離は、デプスゲージを用いて計測した実測値であることを特徴とする請求項３記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項５】
上記ベース治具設定ステップは、上記ベース治具の３次元画像において、各支柱が支える平面が上記骨盤の各参照点を含む平面と平行となるように、各参照点における骨盤と皮膚表面間の距離の違いに応じて、少なくとも１本の支柱の長さを補正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項６】
上記ベース治具設定ステップは、上記ベース治具の３次元画像において、各支柱の長さを同じにしたまま、各参照点における骨盤と皮膚表面間の距離の違いに応じて、上記インジケータの方向を補正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
【請求項７】
１つの平面を形成するフレーム体に対し、互いに間隔が調整可能な３本以上の支柱を備えたベース治具と、
上記フレーム体の表面上の所定の位置に取付け、上記フレーム体の平面を基準とした任意方向角度を指示するインジケータを備えた方向指示治具と
を有することを特徴とする手術支援用治具。
【請求項８】
上記ベース治具は、骨盤の左右上前腸骨棘及び恥骨結合の３点に当接する３本の支柱を備え、
上記方向指示治具は、左上前腸骨棘又は右上前腸骨棘上の体表面に当接する支柱の上端近傍、又は左右上前腸骨棘上の体表面にそれぞれ当接する各支柱の上端同士を結ぶ線の中点近傍に取付ける
ことを特徴とする請求項７記載の手術支援用治具。
【請求項９】
上記ベース治具の骨盤の左右上前腸骨棘に当接する２本の支柱先端には、上前腸骨棘に固定する固定部材を備えることを特徴とする請求項８記載の手術支援用治具。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の手術支援用治具の精度検証方法であって、
上記インジケータの水平面からの前方開角と、骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップの法線の水平面からの前方開角との差を求め、
術前計画時の臼蓋カップの法線の前方開角と、術後撮影した臼蓋カップの法線の前方開角から上記差を差し引いた値との差を求める
ことを特徴とする精度検証方法。
【請求項１１】
請求項７乃至９のいずれかに記載の手術支援用治具の精度検証方法であって、
上記インジケータに平行な線と骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップの法線とを水平面に投影し、投影後の２本の線上にそれぞれ任意の２点を設け、計４点から形成される２つの三角形の辺の長さおよび内角に基づいて上記２本の線がなす第１の角度を求め、
上記第１の角度に基づき、上記フレーム体の平面における上記２本の線がなす第２の角度を求め、
術前計画時の臼蓋カップの法線の外方開角と、術後撮影した臼蓋カップの法線の外方開角から上記第２の角度を差し引いた値との差を求める
ことを特徴とする精度検証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーソナルコンピュータ等のデータ処理装置を用いた人工股関節置換手術の術前計画用プログラム及び手術支援用治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の下肢の一部を構成する膝関節及び股関節は、日常生活で歩行をはじめとして特に重要な関節である。その必要性の大きさから、外傷を受け易く、また加齢に伴って関節部の軟骨が変性破壊され、関節症に至ることが最も多い部位でもある。【０００３】
この関節症に対する外科的治療として、破壊された軟骨を取り去り、そこに金属を嵌め込み、当該金属と、ポリエチレンなどのプラスチックとの接触で関節機能を再建する人工関節置換術（Total Arthro-Plasty）が、最も安定した機能の改善を図ることができる方法として現在世界中で行なわれている。【０００４】
この際、人工膝関節においては大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネント、人工股関節においては大腿骨ステムと臼蓋カップの各設置位置、すなわちそれぞれの骨の摘出（骨切り）の正確さがその後の人工関節の耐久性に大きく影響する。【０００５】
従来、この人工関節の設置については、手術前に正面と側面から撮影したＸ線写真に対し、透明なシートに印刷された人工関節の輪郭を合わせて上記コンポーネントやステム、カップの位置や大きさを決定していた。しかしながら、このような方法では骨形状の把握がＸ線写真の撮影方向や撮影時の患者の位置に影響され、正確さに欠けていた。【０００６】
これを解決するため、あらかじめキャリブレーションフレームでフィルムと照射点との間の位置決定を行なった特殊撮影台で、起立位の２方向の正面と６０°斜角のＸ線撮影を行ない、この撮影画像に対してＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置から作成した骨形状の３次元モデルをそれぞれの骨陰影に位置合わせを行ない（イメージマッチング）、設置位置の基準となる起立位の骨形状の３次元的な把握を行なうコンピュータソフトウェアによる方法が考えられている。【０００７】
このコンピュータソフトウェアによる方法では、人工関節のＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データによる３次元形状モデルを複数読出すことで、骨形状と荷重環境に適合した、人工関節の大きさと位置を決定することができる（例えば、日本国特開２００４−００８７０７号公報（以下、「特許文献１」と称す）。【０００８】
しかしながら上記特許文献１に記載された技術は、人工膝関節置換術における脛骨側の骨切り面を手術者が容易に知ることができるようになされたものに過ぎず、骨形状や機能軸の異なる大腿骨側、あるいは他の関節、例えば同様に下肢で重要な股関節にそのまま適用できるものではない。【０００９】
このようなことから、人工股関節置換手術に関し、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した手術操作の管理が実施できる人工股関節置換手術の術前計画用プログラム及び手術支援用治具を提供することが望まれる。
【発明の概要】
【００１０】
本発明の一態様に係る人工股関節置換手術の術前計画用プログラムは、骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、上記画像入力ステップで入力した複数の２次元断層画像から骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、上記画像再構築ステップで得た骨盤及び大腿骨の３次元画像から、骨盤臼蓋に設置する人工関節の設置位置及び設置方向を決定する人工関節決定ステップと、上記画像再構築ステップで得た骨盤の３次元画像に対し、該骨盤の３点以上の参照点にそれぞれ当接する３本以上の支柱を有するベース治具の３次元画像を設定するベース治具設定ステップと、上記ベース治具設定ステップで設定したベース治具の３次元画像で該ベース治具上の所定の位置を通り、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節の設置方向と平行となるインジケータの方向をパラメータ化して取得するパラメータ取得ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の一態様に係る手術支援用治具は、１つの平面を形成するフレーム体に対し、互いに間隔が調整可能な３本以上の支柱を備えたベース治具と、上記ベース治具上の所定の位置に取付け、上記フレーム体の平面を基準とした任意方向角度を指示するインジケータを備えた方向指示治具とを有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る人工股関節置換手術の術前計画用プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータのハードウェア構成を示すブロック図。
【図２】図２は、同実施形態に係る術前計画用プログラムのメインルーチンの処理内容を示すフローチャート。
【図３】図３は、同実施形態に係る図２の大腿骨ステム及び臼蓋カップの設置計画のサブルーチンの処理内容を示すフローチャート。
【図４】図４は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図５】図５は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図６】図６は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図７】図７は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図８】図８は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図９】図９は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａ中の画面右側部分を拡大して示す図。
【図１１】図１１は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１２】図１２は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１３Ａ】図１３Ａは、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａ中の画面右側部分を拡大して示す図。
【図１４】図１４は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１５】図１５は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１６】図１６は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１７】図１７は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１８】図１８は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図１９】図１９は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図２０】図２０は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図２１】図２１は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図２２】図２２は、同実施形態に係る術前処理段階を示す図。
【図２３】図２３は、同実施形態に係る方向指示治具の外観を示す図。
【図２４】図２４は、同実施形態に係るベース治具の外観構成を示す図。
【図２５】図２５は、同実施形態に係るベース治具の外観構成を示す図。
【図２６】図２６は、同実施形態に係るデプスゲージの構成を示す図。
【図２７】図２７は、同実施形態に係るベース治具の外観構成を示す図。
【図２８】図２８は、同実施形態に係るＡＰＰ平面に対する誤差を示す図。
【図２９】図２９は、同実施形態に係るカップ法線ベクトルの定義を示す図。
【図３０】図３０は、同実施形態に係るカップ法線ベクトルの定義を示す図。
【図３１】図３１は、同実施形態に係る臼蓋カップを打ち込む様子を示す図。
【図３２】図３２は、同実施形態に係る追加器具の設置を示す図。
【図３３】図３３は、同実施形態に係るベース治具の精度検証の過程を示す図。
【図３４】図３４は、同実施形態に係るベース治具の精度検証の過程を示す図。
【図３５】図３５は、同実施形態に係るベース治具の精度検証の過程を示す図。
【図３６】図３６は、同実施形態に係るベース治具の精度検証の過程を示す図。
【図３７】図３７は、同実施形態に係るベース治具の精度検証の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。  
図１は、人工股関節置換術の術前計画用プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」）１０のハードウェア構成を示す。各種処理制御を司るＣＰＵ１１が、フロントサイドバスＦＳＢを介してノースブリッジ１２と接続される。
【００１４】
このノースブリッジ１２は、さらにメモリバスＭＢを介してメインメモリ１３と、またグラフィクスインタフェースＡＧＰを介してグラフィックコントローラ１４及びグラフィックメモリ１５と接続される他、サウスブリッジ１６とも接続され、主としてこれらの間での入出力制御を実行する。
【００１５】
サウスブリッジ１６は、ＰＣＩ−Ｅｘｐｒｅｓｓバス１７、キーボード／マウス１８、ビデオエンコーダ１９、ハードディスク装置（ＨＤＤ）２０、ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）２１、及びマルチディスクドライブ２２と接続され、主としてこれら周辺回路とノースブリッジ１２との間の入出力制御を行なう。
【００１６】
上記ハードディスク装置２０内に、ＯＳ（オペレーティングシステム）と各種のアプリケーションプログラム、各種のデータファイル等に加えて、人工股関節置換手術の術前計画用プログラムとそれに付随する人工関節や後述する各種治具等の形状データ等が予めインストールされているものとする。
【００１７】
なお、上記ビデオエンコーダ１９は、与えられたデジタル値の画像信号からアナログ値の画像信号であるＲＧＢビデオ信号を生成して出力し、ここでは図示しないディスプレイ部に送ることで、画像が表示される。
【００１８】
また、上記マルチディスクドライブ２２は、例えばＣＤ（Compact Disc）規格、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）規格に則った光ディスク媒体の再生と記録が可能であり、患者のＸ線写真、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置の断層写真等を記録した光ディスク媒体を再生して読出すことで、患者の下肢の２次元形状データを複数入力してハードディスク装置２０に記録可能とする。  
なお、これらＰＣ１０を構成する個々の要素は、きわめて一般的な周知の技術であるのでその説明は省略するものとする。
【００１９】
次に上記実施形態の動作について説明する。  
図２及び図３は、このＰＣ１０のユーザである医師が、ハードディスク装置２０に記憶されている術前計画用プログラムを起動して、ＣＰＵ１１が実行する本実施形態の処理内容を示すものである。
【００２０】
この図２及び図３では、大腿骨側人工関節（以下「大腿骨ステム」とも称する）の設置に必要な各種パラメータの取得に要する処理を一部簡略化し、骨盤側人工関節（以下「臼蓋カップ」とも称する）の設置に必要な各種パラメータの取得に要する処理を中心として説明するものとする。
【００２１】
この術前計画用プログラムを実行するにあたっては、Ｘ線ＣＴ装置あるいはＭＲＩ装置で撮像した２次元断層画像データスライスである患者下肢の２次元画像データが読込まれ、ハードディスク装置２０に格納されているものとする。
【００２２】
また、人工関節と術中に使用する各種治具の３次元形状データを別途用意し、併せてハードディスク装置２０に格納しておく。
【００２３】
しかして、図２及び図３の術前計画用プログラムを起動すると、ビデオエンコーダ１９に接続したディスプレイ部の画面上でＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インタフェース）が表示され、このＧＵＩ上で表示されている所望の患者の、少なくとも左右上前腸骨棘を含み、大腿骨遠位近位までを撮影した下肢の２次元画像データが格納されているフォルダを選択する。
【００２４】
選択した下肢の２次元画像データをハードディスク装置２０のフォルダから読出し（ステップＳ１０１）、骨盤及び大腿骨の３次元形状データを作成してその画像をディスプレイ画面上に表示する（ステップＳ１０２）。
【００２５】
図４は、このときディスプレイ画面上に表示される骨盤ＰＶと左右の大腿骨ＦＭ（Ｌ），ＦＭ（Ｒ）の３次元形状画像の例を示す。
【００２６】
３次元形状データは、ポリゴンや曲面形状データでも良いし、形状データを作成する代わりに、ボリュームレンダリングを使用した３次元ボリューム表示を行なうものとしても良い。
【００２７】
次いで図５に示すような皮膚の３次元形状データを構築する（ステップＳ１０３）。同図は、骨盤ＰＶ及び左右の大腿骨ＦＭ（Ｌ），ＦＭ（Ｒ）に対し、半透明状の皮膚ＳＫを表示した例を示す。この皮膚の３次元形状データの構築は必須でなく、ボリュームレンダリングを使用して３次元ボリューム表示でも代用が可能である。皮膚の表示は、臥位における体内の骨盤と大腿骨の位置関係を３次元的に把握するために利用する。
【００２８】
あるいは、直接ＣＴ断面画像を観察することで、皮膚表面から骨のランドマーク（参照点）である左右の上前腸骨棘及び恥骨結合までの距離を計測するか、または統計学的に皮膚表面から骨盤のランドマークである左右の上前腸骨棘及び恥骨結合までの距離を把握できれば、皮膚の３次元形状モデルは必ずしも必要ではない。
【００２９】
次いで、骨盤及び大腿骨の参照点（ランドマーク）をキーボード／マウス１８の操作を併用してデジタイズし、座標系を構築する（ステップＳ１０４）。  
図６は、骨盤及び大腿骨に対する参照点を黒い矩形で示している。骨盤ＰＶ側では、左右の上前腸骨棘ＬＭ１１，Ｌ１２と恥骨結合ＬＭ１３を参照点として、これらを基準に座標系を構築する。
【００３０】
大腿骨ＦＭ側では、股関節側の骨頭球の中心ＬＭ２１及び円周ＬＭ２２と、膝関節側の内外側上顆突起ＬＭ２３，ＬＭ２４を参照点として、これらを基準に座標系を構築する。
【００３１】
図６では、左の大腿骨ＦＭのみ参照点を示しているが、右側の大腿骨ＦＭについても同様に参照点をデジタイズする。
【００３２】
参照点は、座標系の構築意外にも利用する。具体的には、大転子点及び大腿骨内外側後方接点をデジタイズする。  
座標系は、便宜上設定するものであり、他の参照点を用いた座標系を利用しても良い。
【００３３】
図７は、骨盤ＰＶの座標系を示す。左右上前腸骨棘ＬＭ１１，ＬＭ１２と恥骨結合ＬＭ１３の３点を結ぶ三角形で構成される平面（以下「ＡＰＰ平面」と称する）を基に座標系を構成する具体的には、恥骨結合ＬＭ１３を原点とし、左右上前腸骨棘ＬＭ１１，ＬＭ１２を結ぶ線と平行な線をＸ軸とする。便宜上、体側の右側を＋（プラス）とする。さらに、ＡＰＰ平面に沿って上記Ｘ軸と直交する軸をＺ軸、ＡＰＰ平面と直交する軸をＹ軸とする。なお、大腿骨側の座標系の構築に関しては、その説明を省略する。
【００３４】
上記のように座標系を構築した上で、ＣＴ画像またはそれを基にしたＭＰＲ（Multiple Planner Reconstruction：多断面再構築）画像を用いて大腿骨ステム及び臼蓋カップの設置計画を立てる（ステップＳ１０５）。
【００３５】
図３は、上記ステップＳ１０５の設置計画の詳細な処理内容を示すサブルーチンである。その当初には、画面をステム座標系の表示に切替える（ステップＳ３０１）。大腿骨ステムのＣＡＤデータをＨＤＤ２０から読出し（ステップＳ３０２）、設置対象の大腿骨ＦＭの３次元モデルをステムのモデルと共に表示させる。  
図８は、大腿骨ＦＭと大腿骨ステムＳＴとをディスプレイ画面に表示させた状態を示す。同図に示すように、大腿骨ステムＳＴは定められた初期位置に自動的に設置する（ステップＳ３０３）。この場合の初期位置とは、例えば学会において推奨され、また大腿骨ステムＳＴの製造会社が推奨する設置位置を基に、設置対象の大腿骨ＦＭ側の参照点と形状データ、並びに大腿骨ステムＳＴに設定されている参照点から決められるものである。
【００３６】
例えば、大腿骨ＦＭの近位骨軸に大腿骨ステムＳＴの軸を一致させ、大腿骨ステムＳＴの骨頭中心を大腿骨ＦＭの大転子点の高さに一致させ、回旋方向を大腿骨ＦＭの内外側後顆最後方点を結ぶ線から４０°前捻させた位置を初期位置とすることができる。
【００３７】
また、大腿骨ステムＳＴの設置位置シミュレーションにおいて、大腿骨ＦＭの３次元形状モデルにおける骨頭球部分を、手術中と同様の位置において切断するシミュレーションを実施する（ステップＳ３０４）。
【００３８】
この切断シミュレーションは、図８に示す２つの平面を組み合わせて行なう。１番目の平面ＰＬ１１の初期位置は、大腿骨ステムＳＴのＹＺ平面に平行でステム軸を通る位置に表示される。２番目の平面は、大腿骨ステムＳＴのネック軸にほぼ直交する平面となるが、大腿骨ステムＳＴの種類に応じて最適な向きを予め定義しておくものとする。  
これらの２平面ＰＬ１１，ＰＬ１２は、キーボード／マウス１８での操作に応じて任意に平行移動及び回転させることができる。  
切断動作は、これら２平面を用いて骨頭球側を切除することにより行なう。
【００３９】
定められた初期位置に自動的に設置された大腿骨ステムＳＴに関して、大腿骨ＦＭに対するその前捻角、内外反角、屈曲伸展角、設置深さなどのパラメータを算出して画面に表示する（ステップＳ３０５）。
【００４０】
こうして表示された設置状態に対して、大腿骨ステムＳＴの座標系を基準とした位置と方向に関して、キーボード／マウス１８を操作することにより内外側、前後方、上下方、屈曲伸展、内外反、及び前後捻を自在に移動、変更することで、ユーザである医師が最適の位置に設置させることができる。
【００４１】
すなわち、キーボード／マウス１８によりなんらかの操作があった場合、その操作がその時点で設置されている位置を最終的な設置位置として決定するためのものであるのか否かを判断する（ステップＳ３０６）。
【００４２】
最終的な決定を指示する操作でないと判断した場合には、さらに設置位置を変更するべく操作に応じた任意パラメータを変更すると（ステップＳ３０７）、その変更に応じて上記ステップＳ３０４からの処理に戻り、骨切りを行なう２平面の調整とその後の各パラメータの再調整を実行する。
【００４３】
こうしてステップＳ３０４〜Ｓ３０７の処理を繰返し実行する。そして、最適と考えられる設置位置に大腿骨ステムＳＴを移動させることができたと判断した時点で、ユーザが設置位置の決定をキーボード／マウス１８の操作により指示すると、上記ステップＳ３０６でそれを判断し、その時点の各パラメータ値を大腿骨の切断面形状の３次元的な位置情報として保存すると共に、必要により画像データも保存する（ステップＳ３０８）。
【００４４】
図９は、大腿骨ＦＭの骨頭を切断して大腿骨ステムＳＴを設置した画像の例を示す。これらの保存を行なうことで、手術中に大腿骨頭の切断における位置と断面形状の参考にすることができる。また、断面形状に対する大腿骨ステムＳＴの前捻角を観察することで、正確な大腿骨ステムＳＴの前捻角を実現することができる。
【００４５】
以上で大腿骨ＦＭ側の処理を終え、次に骨盤ＰＶ側の処理に移行する。  
まず、画面を骨盤座標系の表示に切替える（ステップＳ３０９）。臼蓋カップのＣＡＤデータと骨盤の３次元モデルとをＨＤＤ２０から読出し（ステップＳ３１０）、共にディスプレイに表示させる。  
図１０Ａは、骨盤ＰＶと臼蓋カップＣＰとをディスプレイ画面に表示させた状態の例を示している。図１０Ｂは、図１０Ａ中の画面右側部分を拡大して示している。これらの図に示すように、臼蓋カップＣＰは定められた初期位置に自動的に設置する（ステップＳ３１１）。この場合の初期位置とは、例えば学会において推奨され、また臼蓋カップＣＰの製造会社が推奨する設置位置を基に、設置対象の大腿骨ＦＭ側の参照点と形状データ、並びに大腿骨ステムＳＴに設定されている参照点から決められるものである。
【００４６】
例えば、骨盤ＰＶの臼蓋窩の最奥点を参照点としてデジタイズし、骨盤座標系で前捻角２０°、外開き角４０°を初期位置とすることができる。
【００４７】
定められた初期位置に自動的に設置された臼蓋カップＣＰに関して、骨盤ＰＶに対するその内外側、前後方、上下方と、方向に関する前捻角及び外開き角などのパラメータを算出して画面に表示する（ステップＳ３１２）。
【００４８】
こうして表示された設置状態に対して、骨盤座標系を使って臼蓋カップＣＰの位置と方向に関して、キーボード／マウス１８を操作することにより上記内外側、前後方、上下方と、前捻角及び外開き角を自在に移動、変更することで、ユーザである医師が最適の位置に設置させることができる。
【００４９】
すなわち、キーボード／マウス１８によりなんらかの操作があった場合、その操作がその時点で設置されている位置を最終的な設置位置として決定するためのものであるのか否かを判断する（ステップＳ３１３）。
【００５０】
最終的な決定を指示する操作でないと判断した場合には、さらに設置位置を変更するべく操作に応じた任意パラメータを変更すると（ステップＳ３１４）、その変更に応じて上記ステップＳ３１２からの処理に戻り、リーミングを行なう位置及び方向の調整とその後の各パラメータの再調整を実行する。
【００５１】
この調整動作時には、使用する座標系として、上述した骨盤座標系のみならず、大腿骨座標系、ステム座標系、カップ座標系、ＣＴ座標系を任意にユーザである医師が自由に切り替えることができるものとする。
【００５２】
さらに、整腹肢位を確認しながら人工関節の設置を行なうことも可能とする。図１１は非整腹肢位モード、図１２は整腹肢位モードでの人工関節の設置状態の例を示す。整腹肢位モードを選択することで、臼蓋カップＣＰと大腿骨ステムＳＴが中心位置が一致するように大腿骨ＦＭと大腿骨ステムＳＴが一緒に移動し、脚長引き下げ量や上前腸骨棘と大転子までの３次元的な距離などがそれに応じて変化して表示される。
【００５３】
こうしてステップＳ３１２〜Ｓ３１４の処理を繰返し実行する。そして、最適と考えられる設置位置に臼蓋カップＣＰを移動させることができたと判断した時点で、ユーザが設置位置の決定をキーボード／マウス１８の操作により指示すると、上記ステップＳ３１３でそれを判断し、その時点の各パラメータ値を骨盤のリーミングの３次元的な位置、方向の情報として保存すると共に、必要により画像データも保存する（ステップＳ３１５）。
【００５４】
図１３Ａは、ステム（左）座標系で大腿骨ステムＳＴと臼蓋カップＣＰの設置状態を画面に表示している例を示している。図１３Ｂは、図１３Ａ中の画面右側部分を拡大して示している。
【００５５】
以上で人工関節の設置計画の処理を終え、図３のサブルーチンを終えて図２のメインルーチンに復帰する。
【００５６】
図２では、骨盤ＰＶと大腿骨ＦＭの３次元画像を仰臥位となるように表示し、合わせて皮膚の形状データを半透明表示する（ステップＳ１０６）。  
図１４は、骨盤ＰＶと左右の大腿骨ＦＭ、臼蓋カップＣＰと大腿骨ステムＳＴに対して皮膚ＳＫを半透明表示した例を示す。
【００５７】
次いでベース治具のＣＡＤデータをＨＤＤ２０から読出し、読出したベース治具のデータにより、仰臥位の左右上前腸骨棘と恥骨結合で構成される平面（ＡＰＰ平面）に相対する位置を目安に、ベース治具を体表面に設置した画像を表示する（ステップＳ１０７）。
【００５８】
図１５及び図１６は、当該位置にベース治具ＢＳを設置した画像の例を示す。ベース治具ＢＳは、逆三角形を基本とした形状であり、３つの点位置下部にそれぞれ上記面にほぼ垂直な支柱を形成している。逆三角形の上辺に相当する２点間の距離は、左右上前腸骨棘の間隔に合わせて調整可能とする。
【００５９】
また、左右上前腸骨棘に当接する支柱部の先端を鋭利なピンとし、左右上前腸骨棘の皮膚部分から該上前腸骨棘に突き刺して固定可能とするか、あるいは支柱先端に鋭利なピン部分を着脱可能とし、該ピン部分を左右上前腸骨棘に突き刺して固定した状態で、ベース治具ＢＳだけを取り外すことが可能とする。
【００６０】
さらに、ベース治具ＢＳのもう一つの頂点となる遠位側の第３点の支柱部の先端を恥骨結合上の体表面に当接する。上記左右上前腸骨棘に当接する側の２点を結ぶ直線に対し、この恥骨結合側に当接する第３点までの距離も調整可能とする。
【００６１】
すなわち、具体的なベース治具ＢＳの構造としては、例えば２本のレール状部材を一方が他方の中央に直交するようにＴ字型に組み付けて、それぞれ支柱部を設けたスライダ部材が、上記レール状部材に沿って移動及び固定可能とすることで、３点の位置の間隔を調整することが可能となる。
【００６２】
図１７は、上記図１６から皮膚ＳＫの表示を取り去って、骨盤ＰＶ上に設置されるベース治具ＢＳの状態を示す。
【００６３】
上記２点の支柱部が先端のピン部で患者の左右上前腸骨棘に固定するのに対し、恥骨結合側の支柱部の先端は固定はせず、例えば図１５〜図１７で示すように適切な大きさの板を取付け、恥骨結合上の皮膚に広く接触するように設置可能とする。
【００６４】
また、恥骨結合側の支柱部の先端は種々アタッチメントを交換可能な構造とし、患者の体型に応じて適切なアタッチメントを選択して装着しても良い。  
さらに、ベース治具ＢＳの安定を得るために、恥骨結合上に当接する上記アタッチメントは、粘着テープなどを用いて、恥骨結合部上の皮膚を覆う布に接着してもよい。
【００６５】
上記図１５〜図１７に示した如くベース治具ＢＳの各支柱部先端を左右上前腸骨棘及び恥骨結合上に当接させた状態で、ベース治具ＢＳの左右上前腸骨棘側の支柱部から左右上前腸骨棘までの深さ方向の距離を算出してディスプレイに表示する（ステップＳ１１０）。  
また、ベース治具ＢＳの各支柱の脚長を含めて、その取付位置から皮膚の通過点までの距離も算出して表示する（ステップＳ１１１）。
【００６６】
これにより、ベース治具ＢＳの支柱部に予め刻印あるいは印刷して目盛りを読取ることで、手術中におけるピン固定の正確さの目安とすることができる。
【００６７】
同様に、ベース治具ＢＳの遠位側の支柱部先端と恥骨結合とを結ぶ線上で、支柱部先端から皮膚の表面までの距離を算出してディスプレイに表示する（ステップＳ１１２）。  
さらに、上記遠位側の支柱部先端と恥骨結合とを結ぶ線上で、恥骨結合から、支柱部先端に装着するアタッチメントが接触する皮膚の表面までの距離を算出してディスプレイに表示する（ステップＳ１１３）。
【００６８】
図１８（Ａ），図１８（Ｂ）は、左右上前腸骨棘から体表までの距離を算出してディスプレイ画面に表示させた例を示す。  
また、図１９（Ａ）は恥骨結合から皮膚表面までの距離、図１９（Ｂ）は上前腸骨棘から皮膚表面までの距離をそれぞれ算出してディスプレイ画面に表示させた例を示す。
【００６９】
以上の処理により、上記ＡＰＰ平面に対するベース治具ＢＳの平面が決定し、その平面の法線ベクトルと臼蓋法線ベクトルとの関係が決定する。
【００７０】
したがって、臼蓋リーミング方向を決定するために、ベース治具ＢＳ平面の上前腸骨棘側端点から臼蓋法線ベクトルと平行なベクトルを作成し、後述する方向指示治具の指示方向として表示する（ステップＳ１１４）。
【００７１】
図２０は、骨盤ＰＶの臼蓋に対して臼蓋リーミング治具ＲＭを取り付けると共に、原理的な方向指示治具ＤＩをベース治具ＢＳに取り付けた状態の例を示す。当然ながら臼蓋リーミング治具ＲＭを臼蓋法線ベクトルに沿って設置するのに合わせて、方向指示治具ＤＩを臼蓋リーミング治具ＲＭと互いの軸方向が正確に平行となるように設置する。
【００７２】
なお、実際に手術時に使用する具体的な方向指示治具ＤＩの構造についてはその一例を後述するが、方向指示治具ＤＩは物理的な指示棒を有するものでも良いし、レーザポインタを用いて視覚的に方向を示す光学部材を使用したものであっても良い。
【００７３】
次いで、臼蓋カップＣＰの設置方向である臼蓋方向ベクトルの方向を術中に正確に再現するための、方向指示治具ＤＩを用いたパラメータ値を算出する（ステップＳ１１５）。
【００７４】
図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２２（Ａ）、及び図２２（Ｂ）は、具体的に上記パラメータ値を算出する過程を説明する図である。これらの図において、ベース治具ＢＳの上前腸骨棘Ａに対応する端点より、臼蓋法線ベクトルと平行なベクトルｖを作成する。臼蓋法線ベクトルで、カップ頂点Ｂから一定距離、例えば３０［ｃｍ］の点Ｃを定義し、点Ｃよりベクトルｖに下ろした垂線との交点Ｄを算出する。また、臼蓋法線ベクトルとベース治具ＢＳの平面とがなす角度を、冠状面角度α及び矢状面角度βで定義し、パラメータとして、距離ＡＤ、距離ＣＤ、角度α、及び角度βを算出する。
【００７５】
これにより、臼蓋カップＣＰの設置方向である臼蓋法線ベクトルの方向がベース治具ＢＳを基準としてユニークに求めることができ、臼蓋法線ベクトルに対応する方向指示治具ＤＩの設置パラメータを得ることができる。
【００７６】
こうして得た各パラメータ値をＨＤＤ２０に保存し、以上でこの図２の術前処理を終了する。
【００７７】
術中には、この臼蓋法線ベクトルの方向を実現するための方向指示治具ＤＩを用意し、術前のシミュレーションで計測しておいた２つの角度パラメータ、すなわちベース治具ＢＳのＺ軸となす角度α、及び方向指示治具ＤＩのベクトルｖとそのベクトルｖをベース治具ＢＳの平面に投影した線との間でなす角度βを方向指示治具ＤＩに設定することで、方向指示治具ＤＩの方向を臼蓋法線ベクトルと正確に平行に設定することができる。
【００７８】
図２３は、方向指示治具ＤＩの一構造例を示す。同図で方向指示治具ＤＩは、扇形状のα角設定器４１の径方向に沿って、これも扇形状のβ角設定器４２が立設する。この扇形状のβ角設定器４２に対して、その径方向が任意に可変できるような方向指示ロッド４３が周側面から放射状に延在するもので、ベース治具ＢＳに対して方向指示治具ＤＩのα角設定器４１を取付けた上で、α角設定器４１に対するβ角設定器４２の角度αと、β角設定器４２に対する方向指示ロッド４３の角度βを再現することで、臼蓋法線ベクトルと平行なベクトルｖの方向を再現できる。
【００７９】
図２４に、具体的なベース治具ＢＳの一構造例を示す。同図では、２本の金属ロッドによるレール部材６１の両端側に、移動及び固定自在なスライダ部材６２，６３を配置し、これらスライダ部材６２，６３の下部に、左右上前腸骨棘に当接するための支柱部６４，６５を取付ける。スライダ部材６２側の支柱部６４が患者左側の上前腸骨棘に当接するものであり、他方、スライダ部材６３側の支柱部６５が患者右側の上前腸骨棘に当接するものである。
【００８０】
また、レール部材６１の略中央から、それぞれ２本の金属ロッドによるレール部材６６，６７をレール部材６１に直交するように取付ける。これらレール部材６６，６７には移動及び固定自在なスライダ６８，６９を取付ける。さらに、これらスライダ６８，６９を連接するべく２本の金属ロッドによるレール部材７０を取付る。そして、このレール部材７０のスライダ６８，６９で挟まれた間に移動及び固定自在なスライダ７１を取付ける。このスライダ７１の下部に、恥骨結合上の皮膚に当接するための支柱部７２を取付ける。
【００８１】
各レール部材６１，６６，６７，７０をそれぞれ２本の金属ロッドにより構成した点、及びレール部材６１に対して２組のレール部材６６，６７とレール部材７０とを介して支柱部７２を形成したスライダ７１を設けた点は、いずれもベース治具ＢＳとしての平面性と捻れに対する剛性とを確保するためになされたものである。
【００８２】
レール部材６１に沿ってスライダ部材６２，６３を移動させることで、患者の左右上前腸骨棘の間隔に対応して支柱部６４，６５を設置させることができる。
【００８３】
また、レール部材６１に対してレール部材６６，６７に沿ってスライダ６８，６９を移動させることで、患者の左右上前腸骨棘を結んだ線から恥骨結合上部までの距離に対応してスライダ７１下部の支柱部７２を設置させることができる。
【００８４】
さらに、スライダ７１はレール部材７０に沿って移動できるため、支柱部６４，６５の中点位置から下ろした垂線上に患者の恥骨結合が位置しておらず、恥骨結合の位置が左右いずれかに偏っている場合であっても、正確に恥骨結合上の皮膚表面に（アタッチメントを介して）支柱部７２の先端を当接することができる。
【００８５】
次に、参考までに実際の手術時の操作についても説明しておく。  
（１）  事前に間隔を調整したベース治具ＢＳを患者の左右上前腸骨棘と恥骨結合部を目安に設置する。
【００８６】
（２）  左右上前腸骨棘にピンを打ち、ベース治具ＢＳを固定する。
【００８７】
（３）  恥骨結合部上に遠位側の支柱先端のアタッチメントを粘着テープで固定する。
【００８８】
（４）  方向指示治具ＤＩをベース治具ＢＳに取付け、術前シミュレーションで得たパラメータαとβを用いて方向指示ロッド４３が臼蓋放線ベクトルと並行となるように設置する。
【００８９】
（５）  臼蓋をリーミングするための臼蓋リーマのロッドを上記（４）で設置した方向指示治具ＤＩの方向指示ロッド４３に平行となるように把持し、臼蓋のリーミングを実施する。
【００９０】
（５−１）  臼蓋リーマのロッドを方向指示治具ＤＩの方向指示ロッド４３と平行になるように把持するために、別途機械的にリーマの把持具を用意して、手術者である医師を機械的に支援することも可能である。  
（５−２）  また、方向指示治具ＤＩをレーザポインタのような光学的な器具で構成し、あるいは併用することで、臼蓋リーマの機械的な把持具をコンピュータと連動してデジタル制御とすることも可能である。  
（５−３）  また、方向指示治具ＤＩに臼蓋挿入深さを測るための距離計を設け、リーマロッド上に付けた目盛りが対応する深さだけ進むようにリーミングすることも可能である。この場合も、上記（５−２）で述べたような機械装置と連動してデジタル制御することも可能となる。
【００９１】
以上詳述した如く本実施形態によれば、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した執刀が実施できる。
【００９２】
なお、上記実施形態で示したベース治具ＢＳ及び方向指示治具ＤＩの構造に関して、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００９３】
なお、本明細書では、ベース治具のことを「デバイス」と称す場合がある。また、方向指示治具の方向指示ロッドのことを「インジケータ」と称す場合がある。
【００９４】
＜ベース治具の例について＞
前述の図２０〜図２４及び対応する説明では、ベース治具ＢＳ（及びこれに取り付ける方向指示ロッド４３付きの方向指示治具ＤＩ）の例を示したが、具体的には、これを例えば図２５に示すように構成してもよい。この場合、術前計画プログラムにおいても該ベース治具ＢＳの使用を前提とした術前計画を行う。
【００９５】
図２５（Ａ）は、ベース治具ＢＳの例を示す斜視図である。図２５（Ｂ）は、別の方向から見たベース治具ＢＳの例を示す斜視図である。図２５（Ｃ）は、ベース治具ＢＳの支柱（恥骨結合上の体表面に当接する支柱）の長さを変えることにより方向指示治具ＤＩのフレーム体の表面（治具平面）が水平となるように水平器を用いて調整する様子を示す図である。
【００９６】
なお、方向指示治具ＤＩは、フレーム体の表面上の任意の位置に取り付け可能である。すなわち、方向指示治具ＤＩは、左上前腸骨棘又は右上前腸骨棘上の体表面に当接する支柱の上端近傍に取り付ける場合に限らず、図２５に示すように左右上前腸骨棘上の体表面にそれぞれ当接する各支柱の上端同士を結ぶ線の中点近傍に取付けてもよい。方向指示ロッド４３は、前述したように、臼蓋法線ベクトルと平行な方向を再現するために使用される。
【００９７】
＜軟部組織厚の計測の例について＞
前述の図２のステップＳ１１０〜Ｓ１１３、図１５〜図１７、及び対応する説明では、左右上前腸骨棘と皮膚表面間の距離、及び恥骨結合と皮膚表面間の距離（軟部組織厚）を算出する手順を示したが、精度を高めるために、それらの距離を例えば図２６に示すデプスゲージＤＧを用いて計測し、この実測で得られた値を勘案してベース治具の３次元画像を設定するようにしてもよい。
【００９８】
デプスゲージＤＧは、図２６（Ａ）に示すように、中空構造端部からキルシュナーワイヤがはみ出る長さを示す目盛りが備えられている。使用の際には、図２６（Ｂ）に示すように、用手的にデプスゲージＤＧの中空構造端部を皮膚に押し当てた状態で、キルシュナーワイヤを皮膚から刺入させ、骨まで到達させる。これにより、皮膚表面から骨までの距離が、目盛りに示される。なお、このときに押し当てる力は、皮膚に非可逆的損傷が起きない程度とし、例えば、実際にベース治具ＢＳの支柱部を押し当てるときの力と同等にする。
【００９９】
このようにデプスゲージＤＧで軟部組織厚を計測した実測値を用いてベース治具の３次元画像を設定することにより、誤差を低減し、精度を向上させることができる。また、ＣＴ撮影を行って軟部組織厚を得る方法よりも、低コストで精度よく軟部組織厚を得ることができる。
【０１００】
＜軟部組織厚に違いに起因する誤差の対策＞
ベース治具ＢＳは、図２７に示すように、回転させることにより軸方向の長さを変えられる支柱Ｓ（恥骨結合上の体表面に当接する支柱）を有しており、この支柱Ｓの長さを変えることにより方向指示治具ＤＩのフレーム体の表面（治具平面）の傾きを変えることができる。ここでは、方向指示治具ＤＩの３本の支柱の長さを同じにすることにより、フレーム体の表面が水平となるようにしている。
【０１０１】
ところで、方向指示治具ＤＩの治具平面は、前述のＡＰＰ平面（図７の左右上前腸骨棘ＬＭ１１，ＬＭ１２と恥骨結合ＬＭ１３の３点を結ぶ三角形で構成される平面）を再現するものであるが、支柱が当接する左右上前腸骨棘上の軟部組織の厚さ（ＡＳＩＳ軟部厚）と、恥骨結合上の軟部組織の厚さ（恥骨部軟部厚）とが異なることから、何ら対策をとらないと、ベース治具ＢＳの３次元画像において誤差が生じる。例えば、図２８に示すように、左右上前腸骨棘と恥骨結合とに接するＡＰＰ平面と、各支柱の先端に接する平面との間に角度λが生じる。
【０１０２】
この問題の対策法として、次の２つが挙げられる。
【０１０３】
（ｉ）ベース治具ＢＳの３次元画像において、治具平面がＡＰＰ平面と平行となるように、支柱Ｓ（恥骨結合上の体表面に当接する支柱）の長さを補正する。すなわち、角度λを相殺するように治具平面を傾ける。
【０１０４】
（ii）ベース治具の３次元画像において、各支柱の長さを同じにしたまま、角度λに応じて方向指示ロッド４３の方向を補正する。すなわち、治具平面を基準とした方向指示ロッド４３の角度（カップ法線ベクトルの角度）を算出する。この場合の具体的な算出方法を以下に示す。
【０１０５】
・ＯＡ、ＲＡ、ＲＩ、ＯＩの定義
術野において、カップ法線ベクトルがなす角ＯＡ、ＲＡ、ＲＩ、ＯＩを、図２９及び図３０に示すように定義する。この場合の座標系は、前述の図７に示した骨盤ＰＶの座標系に相当する。この場合、以下の関係が成り立つ。
【０１０６】
ｔａｎ（ＯＡ）＝ｔａｎ（ＲＡ）×ｃｏｓ（ＲＩ）    …（１）
ｓｉｎ（ＯＩ）＝ｓｉｎ（ＲＩ）×ｃｏｓ（ＲＡ）    …（２）
これらを変形すると、ＲＡ、ＯＩは、それぞれ、以下のように表すことができる。
【０１０７】
ＲＡ＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＯＡ）／ｃｏｓ（ＲＩ）｝    …（３）
ＯＩ＝ｓｉｎ−１｛ｓｉｎ（ＲＩ）×ｃｏｓ（ＲＡ）｝    …（４）
・ＡＰＰに対して治具平面（ＡＰＰ’）が矢状断方向に傾いた場合の補正
ＡＰＰに対して治具平面（ＡＰＰ’）が矢状断方向に角度λ傾いた場合、計画値ＯＡ、ＲＡ、ＲＩに対する治具平面（ＡＰＰ’）からの角度ＯＡ’、ＲＡ’、ＲＩ’は、それぞれ、以下のように表すことができる。
【０１０８】
ＯＡ’＝ＯＡ＋λ    …（５）
ここで、ｔａｎλ＝｛（恥骨部軟部厚）−（ＡＳＩＳ軟部厚）｝／（骨盤高）
なお、骨盤高とは、図７に示す左右上前腸骨棘ＬＭ１１，ＬＭ１２を結ぶ線（両ＡＳＩＳ接線）から恥骨結合ＬＭ１３までの距離を指す。
【０１０９】
ＲＩ’＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＯＩ’）／ｃｏｓ（ＯＡ’）｝
＝ｔａｎ−１［ｔａｎ（ＯＩ）／ｃｏｓ｛（ＯＡ’）＋λ｝］
＝ｔａｎ−１［ｔａｎ［ｓｉｎ−１｛ｓｉｎ（ＲＩ）×ｃｏｓ（ＲＡ）｝／ｃｏｓ｛ＯＡ＋λ｝］］    …（６）
ＲＡ’＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＯＡ’）×ｃｏｓ（ＲＩ’）｝
＝ｔａｎ−１［ｔａｎ｛（ＯＡ）＋λ｝×ｃｏｓ［ｔａｎ−１［ｔａｎ［ｓｉｎ−１｛ｓｉｎ（ＲＩ）×ｃｏｓ（ＲＡ）｝／ｃｏｓ｛ＯＡ＋λ｝］］］］    …（７）
なお、（６）式の変形においては、ＯＩ＝ＯＩ’が成立することを利用するとともに、（５）式を利用し、さらに前述の（４）式を利用している。
【０１１０】
また、（７）式の変形においては、（５）式及び（６）式を利用している。
【０１１１】
したがって、これら（５）〜（７）式を用いることにより、治具平面を基準とした計画値を算出することができる。
【０１１２】
＜ベース治具の精度検証＞
図３１は、術前計画を行った後に、ベース治具（デバイス）ＢＳに備えられた方向指示ロッド（インジケータ）４３の向きと平行に臼蓋カップＣＰを骨盤にカップホルダを用いて打ち込む様子を示す図である。
【０１１３】
このときに使用したベース治具ＢＳの精度を検証する方法を以下に示す。
【０１１４】
ベース治具ＢＳの精度は、手技上の誤差を排除した前方開角ＲＡの誤差及び外方開角ＲＩの誤差をそれぞれ算出することで検証する。
【０１１５】
＜前方開角ＲＡ精度検証＞
ベース治具ＢＳの前方開角ＲＡ精度検証においては、まず、方向指示ロッド（インジケータ）４３の水平面からの前方開角と、骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップＣＰの法線ベクトル（カップホルダが示す法線ベクトル）の水平面からの前方開角との差を、術野において実測し、その後、術前計画時の臼蓋カップＣＰの法線の前方開角と、術後ＣＴ撮影した臼蓋カップＣＰの法線の前方開角から上記差を差し引いた値との差を求める。
【０１１６】
これを数式で表すと以下のようになる。
【０１１７】
術中妥協誤差ＲＡ＝（デバイスのインジケータの水平面からの前方開角）
−（カップホルダの水平面からの前方開角）    …（８）
デバイスのＲＡ誤差＝術前計画ＲＡ
−｛（術後ＣＴ ＲＡ）−（術中妥協誤差ＲＡ）｝    …（９）
なお、術後ＣＴ ＲＡは、術後のＣＴ撮影から取得される前方開角ＲＡを示す。
【０１１８】
また、術中妥協誤差ＲＡは、デバイスの純粋な誤差から排除すべき術中の手技上の前方開角ＲＡ誤差を示す。
【０１１９】
＜外方開角ＲＩ精度検証＞
ベース治具ＢＳの外方開角ＲＩ精度検証においては、まず、方向指示ロッド（インジケータ）４３に平行な線と骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップＣＰの法線とを水平面に投影し、投影後の２本の線上にそれぞれ任意の２点を設け、計４点から形成される２つの三角形の辺の長さおよび内角に基づいて上記２本の線がなす角度θを求め、次に、角度θに基づき、治具平面における上記２本の線がなす角度θ’を求め、最後に、術前計画時の臼蓋カップＣＰの法線の外方開角と、術後撮影した臼蓋カップＣＰの法線の外方開角から角度θ’を差し引いた値との差を求める。
【０１２０】
具体的な方法を示すと、以下のようになる。
【０１２１】
まず、図３２に示すように、追加器具Ｘ１を用いて、カップ法線ベクトルと平行な直線を方向指示ロッド（インジケータ）４３付近に再現する。
【０１２２】
次に、図３３に示すように、方向指示ロッド（インジケータ）４３の直線上に２点、追加器具Ｘ１を用いて表現したカップホルダと平行な直線上に２点、合計４点をとり、更に四角形ＡＢＣＤ、及び対角線Ｅをとる。
【０１２３】
次に、図３４に示すように、辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの長さ、及び術中水平となす角ｐ，ｑ，ｒ，ｓ，ｔをそれぞれ計測する。
【０１２４】
辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを術中水平面に投影したものを辺Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｅ’とすると、それぞれの辺の長さは、次のようになる。
【０１２５】
Ａ’＝Ａ・ｃｏｓ（ｐ）    …（１０）
Ｂ’＝Ｂ・ｃｏｓ（ｑ）    …（１１）
Ｃ’＝Ｃ・ｃｏｓ（ｒ）    …（１２）
Ｄ’＝Ｄ・ｃｏｓ（ｓ）    …（１３）
Ｅ’＝Ｅ・ｃｏｓ（ｔ）    …（１４）
図３５に示すように、四角形Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’と対角線Ｅ’において、α，β，γをとり、Ａ’とＣ’のなす角をθとすると、次のような関係が成り立つ。
【０１２６】
θ＝（α＋β＋γ）−１８０°    …（１５）
また、余弦定理より、α，β，γを次のように表現することができる。
【０１２７】
α＝ｃｏｓ−１［｛（Ａ’）２＋（Ｄ’）２−（Ｅ’）２｝／２Ａ’Ｄ’］    …（１６）
β＝ｃｏｓ−１［｛（Ｄ’）２＋（Ｅ’）２−（Ａ’）２｝／２Ｄ’Ｅ’］    …（１７）
γ＝ｃｏｓ−１［｛（Ｃ’）２＋（Ｅ’）２−（Ｂ’）２｝／２Ｃ’Ｅ’］    …（１８）
これらを利用すると、θを次のように表現することができる。
【０１２８】
θ＝ｃｏｓ−１［｛（Ａ’）２＋（Ｄ’）２−（Ｅ’）２｝／２Ａ’Ｄ’］
＋ｃｏｓ−１［｛（Ｄ’）２＋（Ｅ’）２−（Ａ’）２｝／２Ｄ’Ｅ’］
＋ｃｏｓ−１［｛（Ｃ’）２＋（Ｅ’）２−（Ｂ’）２｝／２Ｃ’Ｅ’］
−１８０°    …（１９）
このようにして、θを算出することができる。
【０１２９】
次に、図３６に示すように、ＡＰＰ平面と水平面とがなす角を（ＡＰＰ）とし、ＡＰＰ平面における外方開角誤差をθ’とし、水平面に投影した術前計画外方開角を（ＲＩ’）とする。ＡＰＰ平面と水平面との間には、ｌ＝ｌ’・ｃｏｓ（ＡＰＰ）、ｍ＝ｍ’、ｎ＝ｎ’という関係がある。
【０１３０】
このとき、以下のような式を通じてθ’を算出することができる。
【０１３１】
ｔａｎ（ＲＩ’）＝｛ｓｉｎ（ＲＩ）／ｃｏｓ（ＲＩ）・ｃｏｓ（ＡＰＰ）｝
＝ｔａｎ（ＲＩ）／ｃｏｓ（ＡＰＰ）    …（２０）
ＲＩ’＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＲＩ）／ｃｏｓ（ＡＰＰ）｝    …（２１）
同様に、
ｔａｎ（ＲＩ’＋θ）＝ｔａｎ（ＲＩ＋θ’）／ｃｏｓ（ＡＰＰ）    …（２２）
ｔａｎ（ＲＩ＋θ’）＝ｔａｎ（ＲＩ’＋θ）・ｃｏｓ（ＡＰＰ）    …（２３）
ＲＩ＋θ’＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＲＩ’＋θ）・ｃｏｓ（ＡＰＰ）｝    …（２４）
θ’＝ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＲＩ’＋θ）・ｃｏｓ（ＡＰＰ）｝−ＲＩ    …（２５）
＝［［ｔａｎ−１｛ｔａｎ（ＲＩ）／ｃｏｓ（ＡＰＰ）｝＋θ］・ｃｏｓ（ＡＰＰ）］−ＲＩ    …（２６）
よって、次の式により外方開角ＲＩ誤差が得られる。
【０１３２】
デバイスの外方開角ＲＩ誤差
＝術前計画ＲＩ−｛（術後ＣＴ ＲＩ）−θ’｝    …（２７）
このように、手技上の誤差を排除した純粋なデバイスの誤差を算出することができるので、デバイスの精度を的確に検証することが可能となる。
【０１３３】
なお、前述の図３２では、追加器具Ｘ１を用いて、カップ法線ベクトルと平行な直線を方向指示ロッド（インジケータ）４３付近に再現する場合を例示したが、直線を再現する方法はこれに限定されるものではない。代わりに、図３７に示すように、カップホルダＣＨに拡張ロッドＥＸを回動可能に取り付け、このロッドＥＸによりカップ法線ベクトルと平行な直線を方向指示ロッド（インジケータ）４３付近に再現するようにしてもよい。この場合も図３２の構成と同様な効果が得られる。また、カップホルダＣＨを用いて臼蓋カップＣＰを骨盤に打ち込む際に、方向指示ロッド（インジケータ）４３とこの近くに位置するロッドＥＸとが平行となるように意識しながら打ち込みを行うことができるので、打ち込み時の精度を高めることも可能となる。
【０１３４】
その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１３５】
以上詳述したように本発明によれば、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した執刀が実施できる。
【符号の説明】
【０１３６】
１０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、１１…ＣＰＵ、１２…ノースブリッジ、１３…メインメモリ、１４…グラフィックコントローラ、１５…グラフィックメモリ、１６…サウスブリッジ、１７…ＰＣＩ−Ｅｘｐｒｅｓｓバス、１８…キーボード／マウス、１９…ビデオエンコーダ、２０…ハードディスク装置（ＨＤＤ）、２１…ネットワークインタフェース、２２…マルチディスクドライブ、４１…α角設定器、４２…β角設定器、４３…方向指示ロッド、６１…レール部材、６２，６３…スライダ部材、６４，６５…支柱部、６６，６７…レール部材６６，６７…、６８，６９…スライダ、７０…レール部材、７１…スライダ、７２…支柱部、ＡＧＰ…グラフィクスインタフェース、ＢＳ…ベース治具、ＣＨ…カップホルダ、ＣＰ…臼蓋カップ、ＤＩ…方向指示治具、ＥＸ…拡張ロッド、ＦＭ…大腿骨、ＦＳＢ…フロントサイドバス、ＭＢ…メモリバス、ＰＶ…骨盤、ＲＭ…臼蓋リーミング治具、ＳＫ…皮膚、ＳＴ…大腿骨ステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【国際調査報告】
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